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Mesure de la hauteur du lac de lave du Kilauea (Hawaii) // Measuring the height of the Kilauea lava lake (Hawaii)

Comme je l’ai écrit à plusieurs reprises, le niveau du lac de lave dans le cratère de l’Halema’uma’u varie continuellement en fonction des variations – à la fois profondes et superficielles – dans le système d’alimentation magmatique. Lorsque les inclinomètres enregistrent une inflation de l’édifice volcanique, la lave s’élève dans l’Overlook Crater. Inversement, son niveau baisse lorsque les instruments enregistrent un épisode de déflation.
Thomas Jaggar, fondateur de l’Observatoire des Volcans d’Hawaï (HVO), fut peut-être le premier à reconnaître l’importance du niveau d’un lac de lave quand, il y a plus d’un siècle, il a lancé une campagne de mesures de l’Halema’uma’u. Ces mesures ont montré les fluctuations de niveau du lac pendant plus d’une décennie, jusqu’à sa vidange en 1924.
Contrairement aux apparences, la mesure du niveau d’un lac de lave n’est pas chose facile. Il n’existe pas de marégraphe ou de repère de profondeur de la lave dans le cratère. Aujourd’hui, les scientifiques du HVO utilisent essentiellement un télémètre laser pour calculer la hauteur du lac de lave, mais cette technique nécessite une vue bien dégagée du cratère. En conséquence, des mesures continues et cohérentes, jour et nuit, par tous les temps, sont difficiles à réaliser.

C’est le défi qu’a tenté de relever une équipe scientifique composée de chercheurs du HVO, de l’Université de Cambridge et de l’University College de Londres. Les Britanniques ont mis au point un radar capable de mesurer la hauteur d’un lac de lave. Le premier exemplaire a été testé sur l’Erebus en Antarctique en 2016 dans le cadre du Programme Antarctique américain. Les mesures ont révélé des variations de niveau périodiques remarquables du lac de lave, avec des phases d’oscillation d’environ dix minutes. On ne sait pas pourquoi l’Erebus se comporte de celle manière. Des expériences en laboratoire sont en cours pour simuler l’activité et mieux la comprendre.
Dans la mesure où le matériel de mesure avait pu survivre aux conditions difficiles sur le volcan antarctique, les scientifiques étaient persuadés qu’il allait également être opérationnel à Hawaï. La dernière version du radar a été testée sur le Kilauea en janvier 2018.
Après une période de mise en route de quelques jours, le radar a fonctionné en autonomie pendant plus d’une semaine, en enregistrant le niveau du lac une fois par seconde. Des impulsions micro-ondes sont transmises depuis une antenne parabolique vers la surface du lac de lave. Une partie de l’énergie micro-onde est renvoyée et est captée par une autre antenne. La distance jusqu’au lac de lave est calculée en prenant en compte le temps écoulé entre la transmission et la réception des impulsions. Cette technique offre une mesure en continu relativement précise de la hauteur du lac de lave.

Les données collectées au cours de cette campagne de mesures sont en cours d’analyse, mais les premiers résultats semblent correspondre à d’autres mesures effectuées par le HVO. En même temps que le radar effectuait les mesures, un spectromètre infrarouge était positionné sur la lèvre du cratère pour enregistrer la composition des gaz émis par le lac de lave. La façon dont les gaz s’accumulent dans le lac de lave ou s’en échappent influe considérablement sur le niveau du lac. Une comparaison des variations du niveau de la lave et de la chimie des gaz devrait donner de bonnes indications sur les relations entre l’arrivée de magma à la surface, la libération des gaz et les fluctuations d’activité du lac de lave.
Source: USGS / HVO.

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As I put it several times before, the level of the lava lake within Halema’uma’u Crater varies continuously according to deep and shallow changes in the magma plumbing system feeding the lava lake. When tiltmeters record an inflation of the volcanic edifice, lava rises within the Overlook Crater. Conversely, its level drops when the instruments record a deflation episode.

Thomas Jaggar, founder of the Hawaiian Volcano Observatory (HVO), was perhaps the first to recognize the significance of lava lake level when, more than a century ago, he established a routine of measuring it at Halema‘uma‘u using traditional surveying equipment. His measurements charted the fluctuating lake level for over a decade until the lava drained away in 1924.

The lava lake level is not easy to measure. No one has put a tide gauge in the lava lake or a ruled depth marker in the crater. Today, HVO scientists primarily use a laser-rangefinder to calculate the lava lake height, but this requires a clear view into the crater. Making continuous and consistent measurements, day and night, in all weather, is even more demanding. This challenge has stimulated an international collaboration between HVO scientists and a small team of volcanologists and engineers from the University of Cambridge and the University College London.

The United Kingdom team has been developing a turnkey radar for measuring lava lake height, with the first system tested on Erebus volcano in Antarctica in 2016 under the auspices of the U.S. Antarctic Program. The measurements revealed a remarkable periodic rise and fall of the lava lake, with a single oscillation taking around ten minutes. Why Erebus volcano behaves like this is still unclear and laboratory experiments are now underway to simulate the activity and better understand the driving processes.

Trusting that if monitoring equipment can survive the harsh conditions that prevail on the remote Antarctic volcano it should also work in Hawaii, the latest version of the radar was brought for a trial run on Kilauea in January 2018.

After an initial setup period of a couple of days, the radar ran unsupervised for over a week, recording the level of the lake once per second. It works this way: Microwave pulses are transmitted from one dish towards the lava lake surface. Some of the microwave energy is reflected back and is received by the other dish. The distance to the lava lake is then calculated from the time taken between transmission and reception of the pulses, providing a sensitive measure of the lava lake height. Measurements can be made continuously.

The data collected during this period are still being analyzed, but they look consistent with other measurements made by HVO scientists.

At the same time the radar was running, an infrared spectrometer was positioned at the crater rim to record the composition of gases emitted from the lava lake. How gas accumulates in, or escapes from, the lava lake exerts a strong control on the lake level. Careful comparison of extended observations of lava lake height and gas chemistry promise to reveal yet more detailed insights into the relationships between the supply of magma to the surface, the release of gases, and the variable activity of the lava lake.

Source : USGS / HVO.

Les paraboles sur la lèvre de l’Overlook Crater (Crédit photo: USGS / HVO)

Vue du lac de lave dans le cratère de l’Halema’uma’u (Crédit photo: USGS / HVO)

Les infrasons au service de la volcanologie // Could nfrasound help predict eruptions?

Une nouvelle étude conduite par des scientifiques de la Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences et de l’Université de Boise (Idaho), et publiée dans la revue Geophysical Research Letters, montre que l’étude des infrasons émis par un certain type de volcans pourrait améliorer la prévision d’éruptions potentiellement mortelles. Les chercheurs ont analysé les infrasons détectés par les stations de surveillance du Villarrica dans le sud du Chili. Ces infrasons proviennent des mouvements du lac de lave à l’intérieur du cratère et changent en fonction de l’activité du volcan. L’étude tente de démontrer comment ces variations ont pu annoncer la hausse soudaine du niveau du lac, ainsi que ses fluctuations rapides vers le bord du cratère juste avant l’éruption majeure de 2015. Le suivi des infrasons en temps réel et son association à d’autres données, telles que la sismicité et les émissions de gaz, pourrait permettre d’alerter la population locale et les touristes lorsque’un volcan est sur le point d’entrer en éruption.
La dernière éruption majeure du Villarrica a eu lieu le 3 mars 2015. Ce fut un événement de courte durée au cours duquel on a observé une fontaine de lave de 1 500 mètres de hauteur, avec des projections de cendre et autres matériaux. 4 000 personnes ont été évacuées. Les stations de surveillance infrasonique installées sur le Villarrica deux mois avant l’événement de 2015 ont enregistré son activité sonore avant et après l’éruption. En analysant ces données, les chercheurs ont constaté que dans la période précédant l’éruption, l’intensité du signal infrasonique augmentait, tandis que sa durée diminuait. Des survols ont fourni des informations sur les changements intervenus dans le lac de lave du Villarrica, ce qui a permis aux chercheurs d’étudier la relation entre les variations de son niveau et le niveau des sons émis.
Un des chercheurs a proposé une comparaison avec un instrument de musique pour expliquer cette relation. De la même façon qu’une personne souffle dans un trombone, les explosions provoquées par les bulles de gaz qui montent puis éclatent à la surface du lac de lave créent des ondes sonores. Tout comme la coulisse d’un trombone peut faire varier la tonalité des notes qu’il produit, la géométrie du cratère qui contient le lac de lave module ses sons. Lorsque le lac de lave est profondément enfoncé à l’intérieur du cratère, le son est émis à une fréquence plus basse. Lorsque le lac de lave remonte dans le cratère, annonçant une possible éruption, la fréquence du son augmente, comme lorsque la coulisse du trombone est raccourcie.
Le but des recherches à venir sera d’établir un lien entre l’étude des infrasons et d’autres variables – telles que la sismicité – qui sont essentielles à la surveillance des volcans et la prévision de leurs éruptions. Avant une éruption, l’activité sismique augmente presque toujours. Cette sismicité provient de plusieurs kilomètres de profondeur, pendant l’ascension du magma dans le système d’alimentation du volcan. Les volcanologues pensent que les variations de niveau du lac de lave – et les infrasons correspondant – sont dus à l’injection d’un nouveau magma dans les conduits d’alimentation du volcan, avec augmentation du risque d’une éruption violente.
Cette étude montre que l’enregistrement des infrasons devrait être une aide supplémentaire dans la prévision du comportement des volcans « ouverts » comme le Villarrica, où existe un lac de lave bien visible et où des conduits d’alimentation font le lien entre les entrailles de la Terre et la surface du volcan. Cependant, les volcans « fermés » comme le Mt St Helens aux Etats Unis, où le magma reste prisonnier à l’intérieur de l’édifice jusqu’à ce qu’une éruption explosive se produise, ne génèrent pas le même type d’infrasons et posent donc d’autres problèmes de prévision. Cela confirme que les volcans sont un monde complexe et qu’il n’existe actuellement aucun moyen universel de prévoir leurs éruptions.
Source: Science Daily.

En cliquant sur ce lien, vous verrez une vidéo montrant le lac de lave du Villarrica: https://youtu.be/FuK1C6xZknY

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A new study by scientists from Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences and Boise State University (Idaho) and published in the journal Geophysical Research Letters has shown that monitoring infrasound produced by a type of active volcano could improve the forecasting of potentially deadly eruptions. The researchers analyzed the infrasound detected by monitoring stations on the slopes of the Villarrica volcano in southern Chile. The distinctive sound emanates from the movements of a lava lake inside the crater and changes according to the volcano’s activity. The study tries to demonstrate how changes in this sound signaled a sudden rise in the lake level, along with rapid up-and-down motions of the surging lake near the crater’s rim just ahead of a major eruption in 2015. Tracking infrasound in real time and integrating it with other data, such as seismic readings and gas emission, might help alert nearby residents and tourists that a volcano is about to erupt.
Villarrica’s last significant eruption occurred on March 3rd, 2015. Itas a short-lived event during which the volcano emitted a fountain that went up to 1,500 metres into the sky, together with ash and debris. Around 4,000 people were evacuated close to the volcano. Infrasound monitoring stations established at Villarrica just two months before the 2015 event captured its before-and-after sonic activity. Studying these data, the research team saw that in the build-up to the eruption, the pitch of the infrasound increased, while the duration of the signal decreased. Flyovers in aircraft documented the changes in Villarrica’s lava lake, allowing researchers to explore connections between its height and the sound generation.
One of the researchers offered a music analogy to explain this relationship. Similar to a person blowing into a trombone, explosions from gas bubbles rising and then bursting at the surface of the lava lake create sound waves. Just as the shape of a trombone can change the pitch of the notes it produces, the geometry of the crater that holds the lava lake modulates its sounds. When the lava lake is deep down in the volcano’s crater, the sound registers at a lower pitch or frequency. When the lava lake rises up in the crater, potentially heralding an eruption, the pitch or frequency of the sound increases, just like when the trombone is retracted.
Future research will seek to tie infrasound generation to other critical variables in volcano monitoring and eruption forecasting, such as seismicity. Ahead of an eruption, seismic activity almost always increases. This seismicity emanates from several kilometress underground as magma moves through the volcano’s feeding system. Volcanologists think that changes in lava lake levels — and their corresponding infrasound — result from the injection of new magma through volcanic plumbing, increasing the odds of a violent eruption.
In this way, the collection of infrasound should prove beneficial for forecasting purposes at « open vent » volcanoes like Villarrica, where an exposed lake or channels of lava connect the volcano’s innards to the atmosphere. However, closed vent volcanoes like Mt St Helens, where the pooling magma remains trapped under rock until an explosive eruption occurs, do not generate the same kind of infrasound and thus pose additional forecasting challenges. This confirms that volcanoes are complicated and there is currently no universally applicable means of predicting eruptions.
Source: Science Daily.

By clicking on this link, you will see a video showing Villarrica’s lava lake: https://youtu.be/FuK1C6xZknY

Vue du Villarrica et d’une fontaine de lave dans son cratère (Crédit photo: Wikipedia)

Belle photo de l’Overlook Crater (Kilauea / Hawaii) // Great photo of the Overlook Crater (Hawaii)

Le HVO a mis en ligne le 13 septembre une photo très intéressante de l’Overlook Crater, la bouche active avec un lac de lave dans le vaste cratère de l’Halema’uma’u. L’image montre la paroi ouest de l’Overlook Crater. Au bas du cliché, on peut voir la croûte mince du lac de lave avec les projections habituelles de spattering à sa surface. Juste au-dessus de la surface du lac, un anneau noir de quelques mètres de hauteur révèle un récent niveau du lac dont la surface varie selon les épisodes d’inflation et de déflation du Kilauea. Au-dessus de la zone noire, une épaisse couche de roche rouge, blanche et jaune apparaît dans la paroi du cratère. Ces couleurs sont dues à l’oxydation et à l’altération de la lave ancienne qui a envahi l’Halema’uma’u dans les années 1960 et 1970. Au-dessus des roches colorées, on peut voir une zone de 8 mètres d’épaisseur faite de couches de roches plus sombres laissées par le débordement de lave d’avril et mai 2015. La partie sommitale de la paroi est constituée par le plancher plat de Halema’uma’u qui est recouvert d’une couche de cheveux de Pele.
La photo a été prise par les géologues du HVO, les seules personnes autorisées à s’approcher de l’Overlook Crater. La zone est interdite au public quel qu’il soit, qu’il s’agisse de personnes individuelles ou d’agences de voyage, car les parois du cratère s’effondrent parfois dans le lac de lave, générant des explosions violentes qui envoient des matériaux incandescents au-delà de la lèvre de la bouche active.
Source: HVO.

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HVO posted on September 13th a very interesting photo of the Over look Crater, the active vent with a lava lake within Halema’uma’u. The image shows the western wall of the Overlook Crater. One can see the thin crust of the lava lake with the usual spattering at its surface. Just above the lake surface, a black ring extends up the wall several meters, revealing a recent high stand of the lake whose surface varies according to the inflation and deflation events on Kilauea. Above the black zone, a thick span of red, white and yellow rock is exposed in the crater wall. The colours are due to oxidation and alteration of older lava that filled Halema‘uma‘u in the 1960s and 1970s. Above the colourful rocks is an 8-metre-thick section of darker rock layers, which were formed by lava overflowing the Overlook Crater rim in April and May 2015. The top of the photo shows the flat floor of Halema‘uma‘u, blanketed in a continuous layer of Pele’s hair.

The photo was taken by HVO geologists, the only persons allowed to stand close to the Overlook Crater. The area is closed to the public whatever it is – individual people or travel agencies – as parts of the walls sometimes collapse in the lava lake, generating violent explosions that send hot material beyond the vent’s rim.

Source: HVO.

Paroi ouest de l’Overlook Crater le 13 septembre 2017 (Crédit photo: HVO)

Violente explosion dans l’Overlook Crater le 3 mai 2015 (Crédit photo : HVO)

 

9ème anniversaire du lac de lave de l’Halema’uma’u (Hawaii) // 9th anniversary of the Halema’uma’u lava lake (Hawaii)

Le HVO nous rappelle que le mois de mars 2017 marque le 9ème anniversaire de l’éruption sommitale du Kilauea, dans le cratère de l’Halema’uma’u. Elle a débuté en mars 2008 et, depuis cette époque, on a assisté à de nombreux changements. La bouche éruptive à l’intérieur de laquelle s’agite le lac de lave (baptisée Overlook Crater) s’est agrandie suite à des effondrements de ses parois, et à cause des explosions qui ont envoyé des projections autour du cratère. Le niveau du lac a fluctué, avec plusieurs débordements sur le plancher de l’Halema’uma’u.
L’année écoulée a été remarquable car le niveau de la lave a monté suffisamment pour permettre de voir sa surface depuis la terrasse du Jaggar Museum. Pendant les années précédentes, la surface de la lave était trop profonde pour être aperçue, et seule une belle lueur rouge était visible de nuit. Le niveau de la lave est fortement remonté au début de l’année 2016 et, au cours de la deuxième moitié de cette année, il a atteint une hauteur suffisante pour être visible depuis la terrasse qui reste le seul endroit autorisé. L’approche du lac de lave est interdite pour des raisons évidentes de sécurité. .
Le lac présente aujourd’hui une belle taille si on le compare à ses débuts et aux autres lacs de la planète. Sa superficie a augmenté lentement depuis 2008, et  elle s’est accrue d’environ 20% dans la seule année 2016. Le lac couvre maintenant environ 40 000 mètres carrés. Il n’existe qu’une demi-douzaine de lac de lave sur Terre : Erebus (Antarctique), Erta Ale (Éthiopie), Nyiragongo (République Démocratique du Congo) et Ambrym (Vanuatu). Parmi ceux-ci, seul le Nyiragongo a des dimensions comparables à l’Halema’uma’u.
Le niveau élevé de la lave n’est pas seulement favorable aux observations par les touristes. Il facilite également de meilleures approches scientifiques. Les volcanologues du HVO ont récemment effectué un certain nombre de travaux qui fournissent des indications précieuses sur le comportement du lac de lave. Par exemple, on sait maintenant qu’il représente une «fenêtre» sur le système magmatique profond, tout en sachant que le lac a sa propre dynamique interne qui vient se superposer sur ces signaux plus profonds.
Le principal problème avec le lac de lave est le vog, acronyme de volcanic fog – brouillard volcanique. Le plus souvent, le panache de gaz est emporté vers le sud-ouest par les alizés, ce qui affecte la qualité de l’air dans le district de Ka’ū et dans la région de Kona. Lorsque les alizés arrêtent de souffler, d’autres parties de l’île d’Hawaï et même de l’Etat dans son ensemble peuvent être concernées par le vog.
On est en droit de se demander si le lac de lave est capable de monter encore plus haut. Il est possible qu’une légère augmentation de la pression du réservoir magmatique – à cause d’une augmentation de l’apport en magma à partir de la source dans le manteau – entraîne une hausse du niveau du lac de lave et provoque son débordement sur le plancher de l’Halema’uma’u. Si la montée de lave et les débordements persistent, ils conduiront vraisemblablement à la formation d’un lac de lave «perché», autrement dit un lac de lave maintenu à l’intérieur de remparts de lave solidifiée. On a déjà observé ce phénomène le long de l’East Rift Zone. Cependant, la plupart des indicateurs montrent que la situation est relativement stable. À l’heure actuelle, il n’y a aucun signe de ralentissement de l’éruption. Alors que l’on approche des dix années d’activité continue du lac de lave, on peut imaginer qu’il existera pendant encore un bon moment.

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HVO reminds us that March 2017 is the 9th anniversary of Kīlauea Volcano’s summit eruption in Halema’uma’u Crater . It began in March 2008 and since that time, countless changes have occurred. The crater enclosing the lava lake (called the Overlook crater) has enlarged through rockfalls, and explosions have thrown spatter around the crater and onto the crater rim. The lava-lake level has fluctuated, leading to several overflows of lava onto the Halema’uma’u Crater floor.

The past year has been a notable one for a simple reason: the lake is now frequently visible from public viewing areas. For most of the eruption, the lake had been too far beneath the crater rim to be seen, and only glow was visible from afar. Lava levels rose sharply at the start of 2016 and during the second half of that year, another rise finally brought the lake high enough that it has been commonly visible from the terrace of the Jaggar Museum which is the only authorised observation point. Any access to the lava lake is forbidden for obvious security reasons. .

The lake today is quite large compared with its modest beginning and compared with other lava lakes around the world. The surface area of the lake has been slowly growing since 2008 and in 2016 it increased about 20%. The lake now covers about 40,000 square metres. Only a half-dozen or so persistent lava lakes exist on Earth, including those at Erebus Volcano (Antarctica), Erta Ale Volcano (Ethiopia), Nyiragongo Volcano (Democratic Republic of the Congo) and Ambrym Volcano (Vanuatu). Of these, only Nyiragongo has dimensions comparable to Halema’uma’u.

The high lava level is not only good for viewing opportunities, but it also facilitates better scientific studies of the lake. HVO scientists and their collaborators have recently completed a number of studies that provide unprecedented insights into lava lake behaviour. For instance, we now know that the lava lake provides a “window” into the deeper magma system in some respects, but at the same time, the lake has its own internal dynamics that are superimposed on these deeper signals.

There is one major drawback with the lava lake: vog. Most often, the gas plume is carried southwest in the trade winds, impacting air quality in the Ka‘ū District and Kona-side of the island. When trade winds break down, other areas of the Island of Hawai‘i and even the entire state can be impacted by vog.

A question that is often asked is : Could the lake rise even higher? It’s possible that a slight increase in magma reservoir pressure – possibly from an increase in magma supply from the mantle source – could push the lake level higher leading to further overflows onto the Halema’uma’u Crater floor. If higher levels and overflows are sustained, they would likely lead to the development of a “perched” lava lake—that is, a lava lake contained within steep levees of solidified lava. However, most monitoring indicators have been relatively steady. Right now, there are no signs of the eruption slowing down. As we approach a decade of continuous lava lake activity, we can imagine that the lava lake could be here for quite a while.

Le cratère de l’Halema’uma’u quelques semaines avant la naissance du lac de lave (Photo: C. Grandpey)

Explosion dans l’Overlook Crater le 7 mars 2011 (Crédit photo: USGS / HVO)

Lueur du lac de lave vue depuis la terrasse du Jaggar Museum en 2013 (Photo: C Grandpey)

Vue du lac de lave le 4 décembre 2016 (Crédit photo: USGS / HVO)

Vue nocturne du lac de lave depuis la terrasse du Jaggar Museum le 17 mars 2017 (Image webcam HVO)